Континентальное звено. 
Гидрология материков

Начало второму (континентальному) звену ГГЦ дают атмосферные осадки, выпадающие из воздушных масс океанического происхождения на сушу. Среднее их количество за многолетний период составляет 66 тыс. км3/год (см. рис. 1.1). С океаническими воздушными массами поступает одновременно 0,4 млрд т/год морских солей, что составляет 23% ежегодно образующейся на акватории Мирового океана массы аэрозоля. Наибольшая их часть (18%) выпадает с осадками из облачных систем и вымывается из подоблачного слоя, а остальная их часть (5%) оседает в виде пыли в периоды отсутствия осадков на побережье (3%) и в более удаленных от него районах (2%, см. рис. 1.2).

Когда атмосферные осадки соприкасаются с земной поверхностью, сразу же происходит метаморфизация их химического состава под влиянием преимущественно двух природных процессов:

• • концентрирования растворенных в воде веществ вследствие ее испарения;
• • сильного изменения состава воды в результате эрозии и растворения веществ на поверхности и в толще почв и грунтов, а также при взаимодействии с растительным покровом и континентальными водными массами.

Эти процессы практически совершенно отсутствуют на территориях, покрытых ледниковым и снежным покровом (16,3 млн км² и 72 млн км², или 11 и 14% суши соответственно). Здесь происходит круглогодичная или только сезонная аккумуляция атмосферных осадков. Процессы метаморфизации природных вод сильно ослаблены на территориях, покрытых многолетнемерзлыми грунтами (32 —35 млн км², или 22 — 24% суши). Период возобновления запаса воды в полярных ледниках и подземных льдах зоны многолетней мерзлоты — около 10 тыс. лет, а в горных ледниках — в среднем 1600 лет.

Общее количество испаряющейся воды с поверхности снега и льда, почвенно-растительного покрова, с акватории континентальных водных объектов и в процессах транспирации воды растительным покровом и хозяйственного использования водных ресурсов составляет в среднем за многолетний период 72 тыс. км³/год (см. рис. 1.1). Вместе с транспирацией происходит и сравнительно небольшое, но очень экологически важное поглощение воды растениями в процессе фотосинтеза органического вещества. Расход воды на фотосинтез (его уравнение — пС0₂ + «Н₂0 = = (СН₂0)» + и0₂) составляет 225 км³/год [9]. Поскольку содержание воды в живом веществе принимается равным 80% биомассы, общий запас воды в биоте Земли — порядка 1 тыс. км³. Однако только 60% этого объема биологически связанной воды активно участвует в ГГЦ. Среднее время возобновления биологической воды в организмах составляет несколько часов.

Испарившаяся с суши вода увеличивает влагонасыщенность воздушных масс над ее поверхностью и тем самым стимулирует выпадение из них осадков смешанного происхождения. Для этого необходимо, чтобы относительная влажность воздуха превысила 40%. Благодаря вовлечению в осадкообразование местной влаги, общее количество атмосферных осадков, поступающих на сушу, на 80% больше их океанической составляющей и равно в среднем 119 тыс. км³/год. Лишь 30% испарившейся на суше влаги (19 тыс. км³/год) включается в атмосферный сток (см. рис. 1.1).

Одновременно над сушей происходит сильная трансформация состава воздушных масс вследствие поступления в них континентального аэрозоля. Большую часть его фракций, растворимых водой, составляют сульфаты, образующиеся в атмосфере из сероводорода и сернистого газа вулканического происхождения, продуктов разложения и горения органических веществ при пожарах, сжигании топлива, мусора. К ним добавляются соли почвенного покрова, выдуваемые ветром. Около 2,8 млрдт/год этих веществ континентального происхождения участвует в формировании фронтальных облачных систем (О. П. Петренчук, 1979), 30% их массы выносится в составе воздушных масс с суши в Мировой океан, а остальные выпадают на сушу с атмосферными осадками. Поэтому средняя минерализация воды в осадках на сушу в 3 раза выше, чем в центральных районах океанов, и составляет 18 — 20 мг/л, причем доля в них хлоридов меньше, чем в осадках чисто океанического происхождения.

В полярных широтах и высокогорных районах минерализацию атмосферных осадков определяет состав облачной воды. В тропических широтах и промышленных регионах умеренных широт с загрязненным подоблачным слоем воздуха минерализация осадков в континентальном звене ГГЦ существенно выше и гораздо изменчивее во времени и пространстве. Атмосферные осадки в виде снега более эффективно очищают воздух от загрязняющих веществ благодаря меньшей скорости падения снежинок и их большей, относительно массы, поверхности по сравнению с дождевыми каплями. Поэтому минерализация осадков, накапливающихся в снежном покрове в холодную часть года, обычно больше, чем дождевых вод. В среднем на поверхность суши с осадками поступает 2,4 млрдт/год минеральных солей.

Неиспарившаяся в континентальном звене вода инфильтруется в почвы и грунты и стекает по их поверхности в областях внешнего и внутреннего стока. Первые имеют общую площадь 119 млн км² (80% суши) и представляют собой водосборы океанов. Средний за многолетний период сток с них воды в Мировой океан равен 47 тыс. км³/год. Он состоит из речного стока (42 тыс. км³/год), стока льда преимущественно в виде откалывающихся и тающих в океанах айсбергов (3 тыс. км³/год ультрапресной воды) и подземного стока воды в виде субмаринных источников в прибрежной полосе океанического побережья (2 тыс. км³/год). Суммарный ионный сток рек в Мировой океан оценивается в 3,2 млрдт/год, следовательно, средняя минерализация речных вод в приустьевых створах составляет 78 мг/л. Таким образом, стекающие с суши речные воды примерно в 4 раза более минерализованы, чем выпадающие на сушу атмосферные осадки, вследствие выщелачивания порядка 0,8 млрдт/год преимущественно гидрокарбонатных ионов, ионов кальция и магния из растворяемых водой известняковых пород. Этот процесс увеличивает минерализацию в полтора раза и жесткость континентальных водных масс, и более чем вдвое они повышаются из-за концентрирования в стоке растворенных ионов при испарении воды.

Несомненно, что вклад испарения и выщелачивания в формирование минерализации речных водных масс сильно варьирует в зависимости от географического положения и ландшафтных особенностей каждого водосбора. Так, подобные расчеты для бассейна верхней Москвы-реки, расположенного в центре лесной зоны с умеренно континентальным климатом, показывают, что средний за многолетний период слой годового стока воды в нем почти втрое меньше слоя осадков. Поэтому испарение увеличивает минерализацию поверхностных вод с 10—12 до 30 мг/л, а выщелачивание ими грунтов водосбора повышает ее среднее многолетнее значение в 6 раз — до 190 мг/л.

Оценка ионного стока с подземными водами [5] показала, что его средняя многолетняя величина может составлять 1,3 млрд т/год; при суммарном дебите субмаринных источников (т.е. подводных).

2,4 тыс. км³Дод. Средняя минерализация их вод равна 0,6 г/л (в 7,5 раз больше, чем в речном стоке). С учетом этой компоненты ионного стока с суши его общая величина составляет 4,5 млрд т/год (70% — поверхностный ионный сток и 30% — подземный), и она в 10 раз больше, чем солевой поток с Мирового океана на сушу. Разность этих потоков показывает величину химической денудации суши под воздействием стока, равную 4,1 млрд т/год. Поэтому средний модуль ионного стока рек в области внешнего стока.

а модуль химической денудации суши.

Суммарная площадь многочисленных областей внутреннего стока, имеющихся на всех континентах, равна 30 млн км², суммарный сток в них речных водных масс очень мал (1 тыс. км³/год). Средний слой стока воды в этих областях, расположенных преимущественно в пустынных ландшафтах, составляет всего 33 мм/год (в 12 раз меньше среднего слоя стока в областях внешнего стока). Вследствие полного испарения воды и частичной дефляции ветром солей и речных наносов водные массы в областях внутреннего стока, испаряясь, формируют континентальные воздушные массы, слабо насыщенные водяным паром, но наиболее обогащенные аэрозольными частицами, которые снова включаются в континентальное звено ГГЦ.

Кроме процессов, которые ведут к изменению химического состава воды на континенте (растворение горных пород и продуктов деструкции органического вещества, образующегося в разнообразных ландшафтах), в водах суши многократно увеличивается содержание взвешенных веществ в результате эрозии, которую производят поверхностные склоновые воды, вымывая частички грунта и насыщаясь наносами. По оценке Г. Н. Голубева (1982), в целом на всей части суши, свободной от снежного и ледяного покрова, образуется масса продуктов склоновой эрозии почв и грунтов, составляющая порядка 90 млрд т/год. Следовательно, средняя мутность поверхностно-склонового стока равна примерно 2 кг/м³, а средний модуль эрозии не покрытой льдом части суши.

и в 20 раз превышает модуль химической денудации суши в процессе стока.

В отличие от растворенных ионов, которые с водой транзитом проходят по гидрографической сети областей внешнего стока до Мирового океана, большая часть взвешенных частиц грунта лишь перераспределяется стоком в пределах речных водосборов и отлагается по мере выполаживания уклонов сначала склонов, а затем и уклонов рек. О масштабе такой трансформации стока наносов можно судить, сопоставив приведенную выше оценку интенсивности водной эрозии почвенного покрова суши с величиной стока речных наносов в океаны. Такой расчет выполнен по данным многолетних гидрометрических наблюдений за стоком наносов в приустьевых створах 635 рек [9]. Для оценки стока наносов остальных впадающих в океаны рек использован метод аналогии. Суммарный сток наносов с суши получился равным 15,7 млрдт/год, следовательно, более 80% продуктов водной эрозии перераспределяется внутри водосборов, формируя делювиальные отложения, русловой и пойменный аллювий, а остальные 20% выносятся в дельты, бессточные озера и моря. Более поздние оценки величины стока речных наносов в Мировой океан отличаются всего на 5 —15% [8J. Учитывая различия методики таких расчетов, можно считать, что они подтверждают, во-первых, малую долю выносимых стоком с суши продуктов ее водной эрозии, а во-вторых, 4—5-кратное превышение стока взвешенных веществ и их средней концентрации над стоком и концентрацией растворенных веществ.

Емкость русловой сети всей суши, характеризуемая осредненным объемом находящихся в ней речных водных масс, составляет несколько больше 2 тыс. км³, поэтому среднее время смены водных масс в речной сети — 16 дней, т. е. вдвое продолжительнее, чем смена воздушных масс в атмосфере.